В последние годы в мире наметилась тенденция активного развития новых направлений использования метанола. К ним относится технология производства олефинов из метанола, которая нашла наибольшее распространение в Китае, ввиду ограниченности запасов традиционных видов сырья на фоне высокого спроса. Также растет спрос на топливо на базе метанола (биодизель и ДМЭ).

Именно последнее направление использование может быть перспективным в России. В связи с этим, рассмотрим эту проблему более подробно.

Топливо на базе метанола

В настоящее время разрабатывается множество технологий, предполагающих использование метанола в качестве топлива для прямого сжигания и для топливных элементов, а также для получения бензина.

Возможные направления использования метанола в этом направлении следующие:

- заменитель бензина,

- добавка к бензинам,

- сырье для производства других энергоносителей.

Продвижение технологии конвертирования метанола в бензин или другие продукты, получаемые в настоящее в большинстве своем из нефти, может существенно поднять спрос на него. Теоретически, метанол способен заместить по крайней мере 90% топлива, используемого в дизельных установках на грузовиках, в железнодорожных локомотивах и кораблях. Он также является оптимальным топливом для гоночных автомобилей, поскольку главные требования к такому топливу - энергоемкость, производительность и безопасность. Абсолютными лидерами в области развития этого направления использования метанола являются США  и Европа. Рассмотрим перспективы использования метанола в этой области в России.

 Сравнение физико-химических свойств метанола и бензинов

Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. На данный момент наибольшее распространение этот вид топлива получил в США. Уже много лет здесь выпускается наиболее распространенная марка М-85 (85% смесь с бензином), а также М-100 (чистый метанол).

Вопросам использования метанола в качестве топлива в нашей стране уделяется повышенное внимание еще со времен Л.А. Кастандова, который специально для изучения этой проблемы создал самостоятельный институт «ГосНИИметанолпроект». Однако при использовании метанола в качестве топлива возникает ряд проблем технического характера, связанных с существенными различиями свойств метанола и бензинов.

Теплота сгорания метанола в 2,24 раза меньше, чем у бензина. Метанол имеет более высокую скрытую теплоту испарения, низкую упругость паров, низкую температуру кипения, повышенную гигроскопичность и повышенную склонность к образованию с некоторыми составляющими бензина азеотропных смесей, а также повышенную склонность к калильному сжиганию.

Помимо этого, метанол обладает повышенной коррозийной агрессивностью к металлам и некоторым пластмассам. Пары метанола токсичнее паров бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный исход.

Таким образом, использование чистого метанола в качестве топлива (топливо М-100) для двигателей внутреннего сгорания требует существенной реконструкции двигателя транспортного средства и осторожности в обращении.

В качестве положительных свойств метанола можно указать его высокую детонационную стойкость и более высокие скорости сгорания топливовоздушных смесей. При этом низкая теплота сгорания не снижает мощностных показателей двигателя, так как их определяющим фактором является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания единицы массы топливообразующей смеси, которая у метаноловоздушных смесей на 3-5% выше, чем у бензинов. Стоит сказать, что при этом и метанола требуется в 2,3 раза больше.

Высокая скрытая теплота испарения метанола (в 3,66 раза выше, чем у бензина) оказывает качественное влияние на процесс смесеобразования. В первую очередь, этот факт является причиной худших пусковых качеств холодного двигателя при низких температурах. С другой стороны, это свойство метанола ведет к уменьшению теплонапряженности деталей двигателя и увеличению весового наполнения цилиндров свежим зарядом, что способствует увеличению мощности двигателя.

Кроме всего прочего, при использовании метанола существенно ниже загрязнение атмосферы, ниже нагарообразование на рабочих поверхностях камеры сгорания и меньшее закоксование деталей цилиндропоршневой группы.

Уровень выбросов вредных веществ, при использовании в качестве топлива бензина, М-85 и М-100

Для использования метанола в качестве топлива необходимо, чтобы цены на него были приемлемы. Сейчас на внутреннем и мировом рынке наблюдаются крайне высокие цены на метанол. Это не способствует широкому его применению в этой области.

 Метанольные топливные элементы

Топливный элемент – это элемент, в котором окислительно-восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей реагентов (топлива, напр. водорода, и окислителя, напр. кислорода) из специальных резервуаров. Важнейшая составная часть электрохимического генератора, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии в электрическую. В метанольных топливных элементах топливом является метанол или раствор метанола.

В последние годы топливные элементы получили широкое развитие во всем мире. На сегодняшний день существует огромное количество систем, базирующихся на различных технологиях. Одной из самых распространенных технологий является DMFC (Direct methanol fuel cell) – технология, основанная на прямом окислении метанола.
Помимо этой технологии широко применяются PEMFC (Proton exchange membrane fuel cell) технология и SOFC (Solid oxide fuel cell). 

 
Одна из первых систем метанольных топливных элементов, Varta 140 W (1967 год)

Разработкой метанольных топливных элементов сейчас занимаются несколько десятков компаний, среди которых Methanex, Statoil, Duracell, Hitachi, Toshiba, Samsung и др. Таким образом, разрабатываются метанольные топливные элементы как для портативной техники, так и для двигателей автомобилей. И там, и там достигнуты серьезные успехи.

Такие элементы уже находят применение в портативных компьютерах, сотовых телефонах и даже автомобильных двигателях. Широкое применение в последних сталкивается с рядом проблем.

С одной стороны, единственным продуктом реакции метанола с воздухом является вода. Самый положительный с точки зрения экологии факт. С другой стороны, возникает вопрос, где взять такое количество метанола. К примеру, при 10%-ном внедрении метанола на Калифорнийском рынке для обеспечении потребности необходима непрерывная работа 4-х крупных заводов мощностью 2,5 тыс. тонн в сутки¹ . Таким образом, значимого применения метанола для транспорта ждать придется еще долго. При этом цена метанола не способствует его широте его использования.

_______________________________

 ¹ Fitzpatrick T. Влияние новых технологий на себестоимость получения синтетического метанола. IMTOF-99, Denver, Colorado, USA

 Диметиловый эфир (ДМЭ)

В настоящее время огромное внимание уделяется ДМЭ как перспективному моторному топливу, топливу для бытовых нужд, сырью для теплоэлектростанций и т.д. Основным его преимуществом является экологичность - при использовании эфира, выбросы в экологию вредных веществ снижается минимум в 1,5 раза. ДМЭ сейчас всерьез рассматривается как альтернатива дизельному топливу.

Более того, принятая Правительством Москвы программа предусматривает внедрение ДМЭ для автотранспорта Москвы к 2010 году, подразумевающая строительство производств ДМЭ. На начальном этапе ДМЭ планируется получать на реконструированных установках синтеза метанола.

Технологии производства ДМЭ освоены уже давно. В СНГ разработчиком этих технологий является НИИ «Химтехнология». В настоящий момент диметиловый эфир в России выпускает всего одно предприятие – Новомосковский химический завод, в Москве установлена только одна заправка, способная заправлять эфиром, она расположена на территории филиала «Западный» ГУП «Мосавтохолод». Но по ходу претворения в жизнь программы по переводу общественного и грузового транспорта на использование ДМЭ в качестве топлива, ситуация изменится.

ДМЭ уже на раз проходил испытания в качестве моторного топлива, подтверждая тем самым, целесообразность такого его использования. Применение ДМЭ в качестве моторного топлива позволяет резко снизить уровень шума, исключить выбросы сажи и снизить выбросы окислов азота.

Однако значительное различие в свойствах ДМЭ и дизельного топлива (ДТ) вызывает ряд специфических проблем. Например, с учетом более низкой плотности и теплотворной способности для сохранения мощности дизеля необходимы в 1,7-1,9 раза большие объемные цикловые подачи. При проектировании топливного насоса высокого давления приходится учитывать, что в силу значительно большей сжимаемости ДМЭ необходимо увеличивать запас по объемной производительности на номинальном режиме в 2,4-2,7 раза и т.д.

Диметоксиметан (метилаль)

Вполне вероятно, это вещество станет перспективным топливом, получаемым на базе метанола. Это бесцветная прозрачная жидкость с высоким содержанием кислорода (42%).

Уже не раз проводились испытания этого продукта, которые показали хорошие результаты в отношении технических характеристик двигателей и низкой эмиссии дыма. Диметоксиметан улучшает смазывающую способность дизельного топлива и полностью смешивается с этим топливом при всех температурах.

Он изготавливается путем метоксилирования формальдегида метанолом. Это вещество является превосходным окислителем дизельного топлива, и его использование может стать одним из вариантов уменьшения образования дыма от сжигания дизельного топлива.

 Возможности применения метанола в пищевой промышленности

Известны процессы, в которых метанол применяется в качестве сырья для продуктов, связанных с пищевой промышленностью. В частности, многим известна возможность его использования для синтеза протеина (белково-витаминного концентрата).

Этот процесс был впервые освоен в промышленном масштабе компанией «ICI» в начале 80-х годов. Была достигнута мощность, равная 50 тыс. тонн/год. Однако полученный протеин не смог конкурировать по цене с соевым белком, цена на который всегда была невысокой.

В скором времени ждать сколь бы то ни было серьезного использования метанола в этой сфере не приходится. Цена на метанол остается высокой, и она, скорее всего, такой сохранится в ближайшем будущем. Однако в случае резкого падения спроса в традиционных для метанола областях (или перепроизводства метанола), пищевая промышленность теоретически сможет стать одной из серьезных областей потребления метанола.

Существуют также варианты применения метанола, состоящие в конденсации формальдегида в сахар, катализируемой щелночноземельными металлами. Однако продукт реакции представляет собой смесь оптических изомеров, из которых отдельные являются токсичными. Эта проблема может быть решаема с большим трудом. Кроме того, пока нет способов достижения больших объемов желаемых сахаров, как глюкоза. В связи с этим всем, получение сахара в промышленном объеме из формальдегида в скором времени ждать также не приходится.

В любом случае, давно освоены технологии реконструкции установок производств метанола в установки для производства аммиака (в том числе в СНГ). Поэтому, в случае перепроизводства метанола или резком ухудшении рыночной конъюнктуры они могут быть применены.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка метанола можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок метанола в России».

Автор:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование